行业分享丨工程机械数字仿真体系建设与思考

“Altair 产品有非常好的二次开发能力，在通用仿真软件基础上，三一结合业务实际可以定制开发专用的仿真 APP，进一步提升仿真效率。

——三一集团副总经理、数字孪生研究院院长 郄永军

在 2025 Altair 区域技术大会·华南站的精彩演讲”

从工程仿真角度而言，Altair 是三一整个仿真软件体系里占比最大的。今天主要站在 Altair 的用户视角跟大家分享一些工程机械数字仿真体系方向的建设与思考。本次分享主要分为以下几个方面：

1、三一集团简介；

2、工程机械作业场景及核心竞争力；

3、数字仿真技术的规模化应用；

4、三一的数字仿真体系建设；

5、数字仿真助力三一集团“低碳化”转型；

6、仿真流程与数据管理；

7、数字孪生应用。

正文如下：

三一集团简介

三一集团始创于 1989 年，业务全面涉及混凝土机械、挖掘机械、起重机械、筑路机械、桩工机械、风电设备、港口机械、石油装备、煤炭装备、装配式建筑 PC 等，是中国首家“破千亿”工程机械企业，旗下拥有三一重工、三一国际、三一重能三家上市公司，业务覆盖全球 150 多个国家和地区。

三一在国内和国际发展态势都非常好，去年 60%以上的利润来自于海外，所以现在整个产品体系在大量向海外市场拓展。

目前三一正在实施三大战略：全球化，数智化，低碳化。目前国内市场基本属于存量市场，增量市场主要来自于海外。从这个视角来看，仿真对于三一全球化和低碳化战略能发挥很大的使能作用，通过仿真驱动产品研发创新，持续提升三一全球竞争力。

工程机械作业场景及核心竞争力

我们都知道做仿真很重要的一点在于需要了解产品竞争力在哪里、产品特征是什么。从工程机械这个大的赛道来看，最大的特点就是工况复杂。乘用车行业有标准工况，但是工程机械行业没有标准工况，典型工况覆盖不全，极限工况又容易过设计。以挖掘机为例，其挖掘对象到底是什么，很难百分百穷尽，桩机对于地下的作业工况是什么也很难穷尽。我们经常说的土方、石方和土石方，其实是不全面的，所以这种情况对仿真来说挑战很大，因为仿真所需边界条件是复杂多变的。

工程机械行业产品主要的竞争力是高可靠、长寿命、低能耗、强动力等，做仿真首先要关注的是为产品竞争力提升做贡献。只有产品竞争力提升了，才能卖的更好，才能给企业带来更多的利润，才能给社会创造更大价值。

那么为什么仿真会跟全球化战略有关系呢？当我们面向全球市场的时候，会发现工况特征跟国内市场相比有很大的变化，客户的关注点也会发生变化。前面提到我们关注高可靠、长寿命、低能耗、强动力，在海外市场，例如北美、欧洲，会比较关注舒适性、环境适应性、安全性等，因此仿真技术体系建设需随着产品竞争力需求的变化而变化。

数字仿真技术的规模化应用

过去无论是一维的机电液控联合仿真，还是三维的结构、流体仿真，三一都有丰富的实践案例。我加入三一之后，系统性梳理了三一的仿真技术体系，目前有 6 大一级学科、18 个二级学科，基本上把结构仿真、流体仿真、振动噪声仿真、多体动力学仿真、机电液控多学科系统仿真、电磁兼容性仿真等全部纳入进去了。

但是这些技术到底应该怎么应用呢？从整个体系考虑，如何将这么多仿真技术在一个产品上应用其实是非常讲究的。首先工程机械的研发周期很短，设计周期比乘用车更短，所以在很短的时间之内说服产品研发人员加大仿真技术运用是个很大的挑战，我们需要证明仿真工作是有价值的。

数字仿真体系建设

三一数字仿真体系建设，是以产品研发 V 模型为基础的。在 V 模型左侧，我们从整机、系统到零部件逐层进行功能/性能指标定义和分解，同时对每一层级的功能/性能做好验证和确认，V 模型左侧主要依靠仿真完成验证，而 V 模型右侧主要依赖物理试验完成验证，但是物理试验一旦发现设计缺陷，需要回过头再设计、再制造、再试验，不仅影响产品研发进度，也会增加研发成本。而仿真是在计算机里面开展虚拟验证，无需物理样件，也无需物理验证环境，因此迭代更快、成本更低。

所以做好仿真，能够省时间、省成本。但要想充分发挥仿真的价值，理想状态下需要在 V 模型左侧做到“应仿尽仿”，把产品所有的性能指标都验证充分，避免设计缺陷逃逸到物理试验环节，甚至逃逸到最终客户侧。

如果要做到应仿尽仿，必然会带来一个很大的挑战：研发流程里是否有那么多时间去完成全部仿真。比如当设计周期只有一到三个月，要判断是否来得及做到应仿尽仿。所以我们不仅追求仿真要应仿尽仿，还要高度关注仿真效率。如果仿不准、仿不快，还要追求应仿尽仿，是很难实现的。

讲完数字仿真，我们再讲一下数字孪生的重要性。仿真是对产品进行虚拟验证和优化的一种手段，数字孪生则是对物理产品进行监控、分析、预测、优化和控制的一种手段。仿真主要是基于物理机理，而数字孪生是物理机理和数据融合驱动的。

我们都知道工况的精准定义对于提升仿真结果置信度至关重要，但实际上对于工程机械行业来说，通常使用两类工况：一类是典型工况，一类是极限工况，不管哪一种工况定义都存在一定缺陷，典型工况很难覆盖所有客户工况，而用极限工况做边界条件又会存在一定的过设计，在产品电动化、智能化转型背景下，过设计是很不利的。

基于数字孪生技术，我们可以真正采集客户最真实的作业工况，让产品设计更符合客户的真实需求。工程机械属于典型的多品种、小批量赛道，数字孪生技术有助于精确捕获客户真实使用需求和工况特征，这对产品竞争力提升是非常重要的。所以我们希望把数字仿真和数字孪生衔接起来形成一个整体。

数字仿真助力三一集团“低碳化”转型

在仿真技术应用方面，结构仿真、流体仿真、多体动力学仿真等常规仿真方法都是工程机械产品必须要使用的。近几年，随着产品加速向电动化转型，机电液热控联合仿真技术变得越来越重要，尤其是能量管理仿真、三电系统热管理仿真等。因此，近年来，三一在机电液热控多学科系统仿真领域花了很大力气。

在电动化产品研发过程中，电磁兼容性也是必须要考虑的一个重要因素，越来越多的国家都制定了电磁兼容性法规，如果电磁兼容性做不好，就会产生电磁干扰，如高低压线束串扰、显示器黑屏、无线信号失常等，导致功能失效，甚至带来安全隐患。所以，EMC 电磁兼容仿真也是今年我们在加强的重要的仿真能力。

还有一个很重要的点是整机性能样机，从产品经理的视角来看，需要关注产品整体性能表现，因为最终交付到客户现场的是一个整机产品。怎么把整机的性能样机构建出来，也是一个很大的挑战，因为建模的工作量非常庞大，需要把机械结构、动力系统、液压系统、控制系统等都建成模型。有了整机级性能样机，就可以让产品在设计阶段实现虚拟运行，进而开展整机虚拟试验，无需制造物理样机，大幅缩短物理验证周期。

三一的仿真体系建设

前面主要是站在仿真的技术角度看，下面我们从仿真管理角度看，仿真体系建设离不开仿真流程管理和数据管理，也就是 SPDM。在此我们非常感谢 Altair，从 2021 年开始在三一持续开展仿真数据管理平台建设。三一仿真人员散在各个事业部、仿真学科比较多、产品线也非常宽，如果没有这样一个平台去管理，整个仿真工作就全部被碎片化了，仿真知识也很难重用。所以这几年在仿真管理上我们主要开展了 SPDM 系统的建设。这个系统不是个孤立的系统，它打通了设计平台、试验平台，能够让我们从设计、仿真到试验形成较为完整的产品验证闭环，设计、仿真和试验全部在线化，流程数据全部打通，对整个管理效能提升的帮助非常大。

另外，Altair 产品有非常好的二次开发能力，在通用仿真软件基础上，三一结合业务实际可以定制开发专用的仿真 APP，进一步提升仿真效率，让专职仿真工程师专注于新的仿真技术攻关和仿真方法开发，将成熟的仿真方法封装成 APP 交给设计人员使用，降低仿真技术门槛，让设计人员也能够快速、高质量完成基础仿真工作。

三一的数字孪生应用

最后一项是之前提到的数字孪生应用。数字孪生对工程机械行业来说非常重要，在某些产品上甚至是刚需，尤其在一些特定使用场景下，比如智慧矿山、智慧搅拌站园区等。仿真主要对产品设计进行分析、验证和优化，有了孪生之后不仅可以对物理产品运行状态进行实时监测，更主要的是可以基于实际运行工况和产品运行状态，优化改进产品设计，提升产品运维效能。

数字仿真是三一研发创新的核心技术之一，是三一打造全球化竞争力的有力工具，在三一积极践行“全球化、数智化、低碳化”的“三化”战略中发挥了至关重要的使能作用，留下了浓墨重彩的一笔。2025 年，三一集团正式出版发行了《数字仿真 三一集团产品创新加速器》一书，汇集了三一多年来在数字仿真领域的宝贵经验和实践案例，欢迎大家批评指正！

以上就是我本次介绍的全部内容，谢谢大家！

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近期，Altair 被全球工业软件指引者西门子收购，成为西门子数字化工业软件(Siemens Digital Industries Software)旗下成员，进一步巩固西门子在仿真和工业人工智能领域的全球指引者地位，其技术正与西门子 Xcelerator 解决方案进行深度整合。

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